Твердотельный лазерный гироскоп



Твердотельный лазерный гироскоп
Твердотельный лазерный гироскоп
Твердотельный лазерный гироскоп
Твердотельный лазерный гироскоп
Твердотельный лазерный гироскоп

 


Владельцы патента RU 2421689:

Закрытое акционерное общество "Центр волоконно-оптических систем передачи информации" (ЗАО "Центр ВОСПИ") (RU)
Акционерное общество закрытого типа "Новая лазерная техника" (АОЗТ "НОЛАТЕХ") (RU)

Изобретение относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при конструировании твердотельных лазерных гироскопов. Гироскоп содержит задающий лазер и кольцевой лазер, состоящий из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода. Задающий лазер и кольцевой лазер образуют пару «задающий и ведомый лазеры» с инжекцией излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизацией накачки обоих лазеров так, что инжектированные и циркулирующие в противоположных направлениях в резонаторе кольцевого лазера волны поочередно пробегают через оптический усилитель. В качестве задающего лазера используется одночастотный лазерный диод, стабилизированный по частоте излучения. Изобретение позволяет повысить надежность, долговечность, устойчивость к действию внешних факторов лазерных гироскопов, а также упростить технологию изготовления и уменьшить стоимость лазерного гироскопа. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при создании твердотельных лазерных гироскопов.

Лазерные гироскопы на эффекте Саньяка, позволяющие измерять угловую скорость вращения подвижных объектов, используются в системах различного назначения - в навигации и автоматическом управлении движением, для индикации поворотов транспортных средств, для стабилизации антенн и телеобъективов в направлении движущихся объектов, в робототехнике и во многих других применениях.

Единственным типом лазерных гироскопов в течение многих лет остается He-Ne-гироскоп, включающий резонатор кольцевого типа, активную среду (смесь газа He-Ne с системой накачки), устройство вывода циркулирующих в резонаторе встречных волн, системы «частотной подставки» и стабилизации периметра резонатора и др.

Лазерный He-Ne-гироскоп относится к высоким технологиям, так как в его производстве используются зачастую уникальные технологии, необходимые для изготовления резонаторов сложной геометрии и высокой точности (с допуском 10 мкм и 15 угловых секунд), отражателей и зеркал с коэффициентом отражения не ниже 99,999% (с тем, чтобы минимизировать обратное рассеяние), термовакуумную обработку резонаторов с температурами до 1200°С, вакуумом до 10-8 мм рт.ст. и допуском по примесям в активной среде не более 10-5.

Что касается используемых систем обработки сигнала лазерного гироскопа, то это связано с так называемым «захватом» или «синхронизмом» частот встречных волн, вызываемым рассеянием света на зеркалах кольцевого He-Ne-лазера, и нестабильностью частот встречных волн.

«Захват частот» обусловлен связью циркулирующих волн, в результате чего даже ничтожный уровень обратного рассеяния (отражения) приводит в лазерном гироскопе без «частотной подставки» к потери чувствительности в области малых угловых скоростей. Дрейф оптических частот излучения кольцевого лазера сказывается на нестабильности масштабного коэффициента - коэффициента пропорциональности, связывающего измеряемую частоту биения волн с угловой скоростью вращения.

Для устранения «захвата частот» используются методы «частотной подставки», с помощью которых рабочая точка на частотной характеристике гироскопа перемещается из зоны захвата на линейный участок. Формирование «частотной подставки» осуществляется однонаправленным или реверсивным вращением лазерного гироскопа [1] или магнитооптическими методами [2].

Таким образом, существующие He-Ne-гироскопы, являясь востребованными приборами, остаются сложными и дорогостоящими в изготовлении и эксплуатации. К недостаткам следует отнести также относительно небольшую надежность и долговечность данных устройств, связанную с характером активной среды, - газовой смеси, соотношение компонент которой недостаточно устойчиво при длительной работе и хранении.

В настоящее время не существует твердотельных, в том числе полупроводниковых, лазерных гироскопов, которые обладали бы приемлемой для практического использования чувствительностью и могли бы в принципе обеспечить более высокую надежность и долговечность, присущую твердотельным лазерам, и достаточно высокую чувствительность, свойственную лазерному гироскопу. При этом известны многочисленные попытки решения данной задачи.

Наиболее близким по совокупности признаков является твердотельный лазерный гироскоп [3], состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и кольцевого резонатора в виде световода, смотанного в катушку, образующих кольцевой лазер, а также оптической системы вывода циркулирующих волн, фотоприемника и электронного устройства (спектрометра радиочастот для измерения частоты биения встречных волн). Полученная максимальная чувствительность измерения скорости углового вращения около 50°/сек неприемлема для практического использования. Причиной низкой чувствительности является также «захват» частот, возникающий при пробеге встречных волн по ПОУ.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности измерения скорости углового вращения твердотельного лазерного гироскопа.

Указанный технический результат достигается выполнением твердотельного лазерного гироскопа в виде кольцевого лазера, состоящего из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, из фотоприемника и электронного блока, задающего лазера и устройства ввода/вывода оптического излучения; при этом задающий и кольцевой лазеры образуют пару «задающий и ведомый лазеры», генерирующие с вводом излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизированной накачкой обоих лазеров, при этом устройство ввода/вывода выполнено таким образом, что обеспечивает деление излучения задающего лазера на две волны, ввод обеих в кольцевой лазер для многократной циркуляции в противоположных направлениях в резонаторе кольцевого лазера с поочередным пробегом через оптический усилитель и вывод из кольцевого лазера части оптической мощности каждой из двух циркулирующих волн, фазовую модуляцию и интерференцию выводимых волн.

В твердотельном лазерном гироскопе длина световода L и длительность τ импульсов излучения импульсного лазера связаны соотношением τ≤Ln/2c, где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления.

В качестве задающего лазера используется одночастотный лазерный диод, стабилизированный по частоте излучения.

В качестве оптического усилителя используется полупроводниковый оптический усилитель.

В качестве оптического усилителя может быть использован волоконно-оптический усилитель.

В качестве оптического усилителя может быть использован оптический усилитель на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.

Описание твердотельного лазерного гироскопа поясняется примерами его осуществления и чертежами. На чертежах представлены:

Фиг.1 - блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с использованием в качестве оптического усилителя полупроводникового оптического усилителя;

Фиг.2 - вид в изометрии многофункционального интегрально-оптического элемента, входящего в состав твердотельного лазерного гироскопа по Фиг.1;

Фиг.3 - динамика разности фаз двух волн Δφ(k) в процессе циркуляций волн с одновременным (пунктирными линиями) и поочередным (сплошными линиями) пробегом волн через оптический усилитель для различных уровней коэффициента обратного рассеяния α;

Фиг.4 - блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с использованием в качестве оптического усилителя волоконно-оптического усилителя и

Фиг.5 - блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с использованием в качестве оптического усилителя волоконно-оптического усилителя на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.

На Фиг.1 приведена блок-схема устройства 10 - твердотельного лазерного гироскопа с полупроводниковым оптическим усилителем (ПОУ) в качестве активного лазерного элемента. Твердотельный лазерный гироскоп 10 содержит следующие функциональные компоненты: задающий лазер 1, оптический изолятор 2, кольцевой лазер 3, включающий полупроводниковый оптический усилитель 4 (ПОУ 4) и кольцевой резонатор в виде сохраняющего поляризацию одномодового световода 5, смотанного в многовитковую катушку радиусом R=5 см и состоящего из двух частей 5' и 5'' длиной 50 м и 150 м соответственно, устройство ввода/вывода оптического излучения 6, фотоприемник 7, а также электронный блок 8. Импульсный 1 и кольцевой 3 лазеры образуют пару «задающий и ведомый лазеры».

Задающий лазер 1 - одночастотный лазерный диод со стабилизированным по частоте излучением, генерирующий излучение в виде повторяющихся с частотой ν импульсов малой длительности. Оптические характеристики задающего лазерного диода - одночастотность и стабильность частоты излучения обеспечиваются Брегговской решеткой в качестве одного из зеркал резонатора лазерного диода. Длительность импульсов излучения задающего лазера τ выбрана такой, чтобы «протяженность» импульса lτ=τ·с/n была равна или несколько меньше, чем половина длины световода L, то есть чтобы выполнялось условие τ≤Ln/2c; в данном случае при L=200 м длительность τ=0,5 мкс.

Оптический изолятор 2 - устройство, используемое для исключения влияния обратных отражений на работу задающего лазерного диода.

Кольцевой лазер 3 в паре с лазерным диодом 1 является ведомым, то есть генерирующим также в импульсном режиме и с инжекцией (вводом) в его резонатор излучения задающего лазерного диода (на Фиг.1 импульс излучения задающего лазера показан как волна 9). При этом фронт импульсов тока на оптический усилитель для накачки кольцевого лазера синхронизован с моментом генерации задающего лазера, а длительность импульсов накачки Т меньше величины 1/ν, но много больше времени полного пробега излучения по резонатору кольцевого лазера, т.е. Т>>К·Ln/c, где К - целое число ≥2.

Активным элементом кольцевого лазера является ПОУ 4, спектр люминесценции которого соответствует рабочей длине волны излучения задающего лазера.

Оптические выводы ПОУ выполнены в виде сохраняющих поляризацию одномодовых световодов. Стыковка световодов-выводов с лазерной полупроводниковой структурой осуществляется с помощью линз, формируемых на концах световодов, обращенных к полупроводниковой структуре. Для снижения обратного рассеяния (отражения) торцы полупроводниковой структуры скошены под небольшим углом относительно оси волноводной области и имеют антиотражающие покрытия.

Устройство ввода/вывода 6 имеет входной 11 и выходной 12 порты, соединенные с оптическим изолятором и фотоприемником, и еще два порта 13 и 14, соединенные с частями 5' и 5'' световода 5. Устройство выполнено с помощью двух одномодовых волоконно-оптических разветвителей 15 и 16 конфигурации «2×2» с коэффициентами передачи 1:1, а также многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) 17, выполняющего роль оптического разветвителя и фазового модулятора одновременно.

В качестве МИОЭ 17 используется известное в технике волоконных кольцевых интерферометров устройство [4]. МИОЭ, его вид в изометрии на Фиг.2, имеет три оптических порта в виде световодов-выводов - порты 22, 23 и 24, два фазовых модулятора 25 и 26 и разветвитель-сумматор 27. Элементы МИОЭ сформированы методом высокотемпературного протонного обмена на поверхности кристалла ниобата лития 21 с помощью канальных волноводов 28, 29 и 31, металлических электродов 25а, 25b и 26а, 26b, образованных напылением по обе стороны канальных волноводов 28 и 29. Световоды-порты 22 и 23 оптически сопряжены с фазовыми модуляторами 25 и 26, выходы которых являются входами сумматора 27; выход сумматора сопряжен со световодом-портом 24.

МИОЭ позволяет осуществлять фазовую модуляцию в широком диапазоне частот - вплоть до 109 Гц, полуволновое напряжение ΔUλ\2, изменяющее фазу проходящей волны на «π», есть ΔUλ\2≈(3÷5)В.

С помощью устройства ввода/вывода осуществляется деление излучения задающего лазера на две волны, 18 и 19, а затем инжекция обеих волн в резонатор кольцевого лазера. При этом инжекция волн в резонатор кольцевого лазера производится на границе частей 5' и 5'' световода.

После ввода в кольцевой лазер волны начинают пробег по кольцевому резонатору в противоположных направлениях - волна 18 по части световода 5' против направления хода часовой стрелки и волна 19 - по части световода 5'' в направлении хода часовой стрелки.

Одновременно с инжекцией волн 18 и 19 в кольцевой лазер на ПОУ подается ток накачки в виде импульса длительностью Т=50 мкс; уровень накачки превышает порог собственной генерации кольцевого лазера. Через время 0,5 мкс, когда волна 18 заканчивает пробег через ПОУ и начинает пробег по участку 5'', с противоположной стороны к ПОУ подходит и начинает через него пробег волна 19. Когда волна 19 заканчивает пробег через ПОУ, через него вновь пробегает волна 18. Так поочередно сменяя друг друга, каждая из волн 18 и 19 пробегает через ПОУ, восполняя при этом потери. Импульсы накачки ПОУ длительностью Т=50 мкс обеспечивают многократную циркуляцию двух волн в кольцевом лазере, то есть за время 50 мкс делается К циркуляций, где К=50.

По окончании 50-тикратной циркуляции накачка ПОУ снимается и после некоторой паузы, примерно в 10 мкс, процесс повторяется: новый импульс излучения задающего лазера длительностью 0,5 мкс, деление его на две волны, ввод обеих в кольцевой лазер, подача на ПОУ накачки длительностью 50 мкс, новые 50 циркуляций и т.д. Частота повторений данного процесса ν=1/(50+10)мкс≅16,7 кГц.

В процессе циркуляций с помощью того же устройства ввода/вывода 6 производится вывод из кольцевого лазера части мощности каждой из волн и их смешение, при этом через выходной порт 12 выводятся две волны - 18' и 19'. Одновременно на электроды МИОЭ подается сигнал для модуляции волн. Смешение волн 18' и 19' означает их интерференцию, в результате которой появляется возможность измерения саньяковского сигнала - разности фаз выводимых волн.

Действительно, по окончании каждого нового пробега по кольцевому тракту (резонатору кольцевого лазера) саньяковские фазы каждой из двух волн возрастают с противоположными знаками на величину

где R - радиус многовитковой катушки, Ω - угловая скорость вращения и λ - длина волны циркулирующих волн.

Разность фаз в результате k циркуляций могла бы составить

причем, если бы разность фаз Δφ(k) монотонно возрастала, то при достаточно большом числе циркуляций величина разности фаз Δφ(k) многократно превышала бы 2π и поэтому было бы возможно производить измерение частоты биений двух волн νc, которая связана с фазой Δφ(k) простым соотношением:

Частота биений νc является саньяковским сигналом в He-Ne-лазерном гироскопе; в рассматриваемом устройстве 10 измеряемым сигналом, как будет показано, может быть только разность фаз двух волн Δφ(k).

С выходного порта 12 волны 18' и 19' направляются к фотоприемнику 7, где производится фотодетектирование результата смешения (интерференции) волн; далее фототок поступает в электронный блок 8.

Электронный блок 8 используется для питания и синхронизации задающего и кольцевого лазеров, их термостабилизации, управления фазовой модуляцией, для обработки фототока, измерения саньяковской разности фаз выводимых волн и, наконец, для определения угловой скорости вращения Ω.

Работоспособность устройства 10 обеспечивается следующими основными факторами: использованием пары лазеров «задающий и ведомый лазеры» с инжекцией излучения первого в резонатор второго; организацией поочередного пробега инжектированных и циркулирующих волн через оптический усилитель и режимом работы с конечным числом К циркуляций волн в кольцевом лазере.

Использование пары «задающий и ведомый лазеры» обеспечивает, во-первых, необходимую для интерференции выводимых волн когерентность, так как циркулирующие волны возникают от одной, общей для них, инжектированной волны и далее в процессе циркуляций волны пробегают по одной и той же трассе. Во-вторых, задающим одночастотным лазерным диодом обеспечивается стабильность частот циркулирующих волн, что в свою очередь означает стабильность масштабного коэффициента всего устройства 10 (в данном случае масштабный коэффициент - коэффициент пропорциональности между измеряемой разностью фаз Δφ(k) и угловой скоростью). Наконец, использование пары «задающий и ведомый лазеры» с инжекцией короткого импульса излучения позволяет реализовать циркуляцию встречных волн в кольцевом лазере с поочередным пробегом через ПОУ.

Чтобы пояснить необходимость поочередного пробега двух волн через оптический усилитель, рассмотрим сначала ситуацию, когда длительность инжектируемого излучения большая, а именно τ≈Ln/c, в результате чего циркулирующие волны пробегают через ПОУ одновременно и постоянно.

Назовем циркулирующие волны 18 и 19 «прямыми» и обозначим их комплексные амплитуды как Ak и Bk. Будем полагать, что обратное рассеяние (отражение) возникает в некоей одной точке внутри ПОУ, при этом образуются «обратные» волны и амплитуды которых определяются коэффициентом обратного рассеяния (отражения) α:

Допущение, что обратное рассеяние возникает внутри ПОУ, обосновано, так как измерения на действующем макете устройства 10 показали, что уровень обратного рассеяния в ПОУ порядка 30 дБ (точное значение было 33,5 дБ). Обратное же отражение для разветвителей, входящих в состав макета устройства 10, было на три-четыре порядка слабее, а Релеевское обратное рассеяние внутри световодов, как известно, еще много меньше.

Для описания процесса циркуляции двух волн учтем, что в результате каждой новой циркуляции фазы обеих волн изменяются - для одной волны на величину «+φ», а для другой волны на «-φ»; при этом действительные части, или модули, комплексных амплитуд остаются постоянными. Учтем также, что «обратные» волны и взаимодействуют соответственно с волнами Bk и Ak, так как попарно эти волны - {Ak, } и {Bk, } распространяются в одном направлении.

Тогда процесс циркуляций с накоплением саньяковских фаз ±φ и взаимодействием волн {Ak, } и {Bk, } может быть описан следующей системой рекуррентных уравнений:

где Акк0 для всех k.

Из системы уравнений (5) следует, что «прямые» волны Ak и Bk комплексно сопряжены, то есть , а их фазы φA(k) и φB(k) равны по абсолютной величине, но отличаются знаком. Величина фаз φA(k), φB(k) и их разность Δφ(k) в этом случае весьма просто определяются численным решением системы уравнений (5).

Результаты расчета приведены на Фиг.3, где пунктирными линиями показана динамика разности фаз Δφ(k) для различных значений коэффициента α, но при равных прочих параметрах: Ω=15°/час, R=5 см, λ=1,55 мкм и n=1,5. Как можно видеть, в ходе циркуляций в той или иной степени имеет место замедление роста разности фаз Δφ(k). Более того, по достижении некоего числа циркуляций K' имеет место прекращение роста разности фаз. Только в случае полного отсутствия отражений, то есть при α=0,0 дБ, разность Δφ(k) линейно возрастает с числом циркуляций.

Вернемся теперь к устройству 10, для которого длительность вводимых и циркулирующих волн небольшая, а именно τ≤Ln/2c, и при этом волны поочередно пробегают через ПОУ. В этом случае действие обратного рассеяния в рамках описанной модели исключается, поскольку волны в каждой из пар {Ak, } и {Bk, } циркулируют по кольцевому резонатору врозь и их взаимодействие, следовательно, невозможно.

Тем не менее, обратное рассеяние и отражения, принципиально, остаются. Модель взаимодействия волн в этом случае несколько сложнее и связана с образованием «вторичных обратных» волн и .

Теперь попарно будут взаимодействовать волны {Ak, } и {Bk, }, причем связь волн в каждой паре приведет снова к уравнениями вида (5). Например, первая пара {Ak, } даст уравнения

где Ak=A0 и . Вторая пара даст еще два аналогичных уравнения.

Совместное решение 4-х уравнений снова приведет к конечному числу циркуляций К, в пределах которого разность фаз возрастает, а далее остается постоянной. На Фиг.3 в виде сплошных линий показаны зависимости Δφ(k) для тех же параметров, что использовались ранее в случае волн, одновременно и постоянно пробегающих через ПОУ. Можно видеть, что для соответствующих значений коэффициентов α числа К теперь существенно больше, чем числа К', рассчитанные ранее.

Описанный эффект прекращение роста разности фаз Δφ(k) является ничем иным, как эффектом «захвата» или «синхронизма» частот встречных волн, известным в технике He-Ne-гироскопов. Применительно к устройству 10 этот эффект правомерней было бы назвать «захватом» или «синхронизмом» фаз встречных волн.

Нетрудно проверить с помощью численного решения, что в обоих случаях - при одновременном и поочередном пробеге волн через ПОУ «частотная подставка» позволила бы избежать «захвата» фаз и частот. При расчетах в рамках обеих используемых моделей фазы волн записывались как φA(k)=φ(k)+2πν0 и φB(k)=-φ(k)-2πν0, где ν0 - величина «частотной подставки». При достаточно большой величине «подставки» (ν0~100, 200… Гц - в зависимости от величины коэффициента α) разность фаз Δφ(k) по мере циркуляций линейно возрастала, что позволило бы производить измерение частоты биения волн νc.

Однако, поскольку в полезной модели отсутствует «частотная подставка», то, как было показано выше, число циркуляций К, в пределах которого разность фаз Δφ(k) возрастает, ограничено и поэтому возможно измерение лишь разности фаз выводимых волн Δφ(k).

Измерение разности фаз Δφ(k) в устройстве 10 производится в соответствии с известным в технике волоконных кольцевых интерферометров методом [4]. С помощью МИОЭ осуществляется пилообразная фазовая модуляция, обеспечивая работу системы измерения в режиме замкнутого контура. При этом сигнал с фотоприемника преобразуется в дискретный и затем демодулируется. На выходе демодулятора формируется сигнал рассогласования, который затем интегрируется и используется для получения наклона «пилы», соответствующего разности фаз Δφ(k). Таким образом вырабатывается пилообразная модуляция, имеющая частоту f, связанную с «наклоном» пилы, и постоянную фазовую амплитуду, равную 2π. Мерой разности фаз Δφ(k) является частота «пилы» f, по которой определяется угловая скорость вращения Ω.

На Фиг.4 приведена блок-схема устройства 40, иллюстрирующая другой вариант твердотельного лазерного гироскопа с использованием волоконно-оптического усилителя (ВОУ). Лазерный гироскоп 40 содержит задающий лазер 1, также одночастотный лазерный диод со стабильной частотой излучения, оптический изолятор 2, ведомый кольцевой лазер 41, состоящий из ВОУ 42 и кольцевого резонатора из сохраняющего поляризацию одномодового световода 5, смотанного в катушку, и как прежде из двух частей 5' и 5'' длиной 50 м и 150 м; гироскоп 40, кроме того, включает оптическое устройство ввода/вывода 6, фотоприемник 7 и электронный блок 8.

Волоконно-оптический усилитель, как известно, представляет собой устройство на основе кварцевых световодов, активированных редкоземельными элементами. В данном случае ВОУ 42 - эрбиевский оптический усилитель [5], широко используемый в современной телекоммуникационной технике. Он состоит из активного световода 43 на основе сохраняющего поляризацию Er:Yb-волокна (Er-эрбий и Yb-иттербий), в частном случае длиной 3 м, лазера накачки 44, оптического изолятора 45, разветвителя-мультиплексора 46 и световода 47, соединяющего лазер накачки 44, изолятор 45 и мультиплексор 46.

Рабочая длина волны задающего и кольцевого лазеров λ=1,55 мкм, активный Эрбиевский световод 43 смотан на общую со световодом 5 катушку и встроен в резонатор кольцевого лазера с помощью сварных соединений, помеченных на Фиг.3 крестиками.

Лазер накачки генерирует на длине волны 0,98 мкм, соответствующей полосе поглощения Эрбиевского оптического усилителя, изолятор 45 используется, как обычно, для стабильной работы лазера накачки, а разветвитель-мультиплексор - для эффективного ввода излучения-накачки в световод-усилитель 43. Питание, синхронизация и термостабилизация обоих лазеров, управление фазовой модуляцией, обработка фототока, измерение разности фаз выводимых волн и определение угловой скорости вращения обеспечиваются электронным блоком 8.

Работа устройства 40 в целом идентична работе устройства 10. Здесь - также ограниченное число циркуляций К, в пределах которого происходит накопление саньяковского сигнала. Однако уровень паразитных отражений может быть меньшим и поэтому число циркуляций К, а соответственно, величина разности фаз и чувствительность к угловой скорости будет больше, чем в устройстве 10.

Лазерный гироскоп может быть может быть выполнен также с использованием оптического усилителя на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна, за рубежом больше известного как Рамановский оптический усилитель [6].

На Фиг.5 приведена блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с оптическим усилителем на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.

Лазерный гироскоп 50 содержит задающий лазер 1, оптический изолятор 2, ведомый кольцевой лазер 51, состоящий из кольцевого резонатора в виде сохраняющего поляризацию одномодового световода 5 и из двух световодов-частей 5' и 5'' длиной 50 м и 150 м; гироскоп 50 включает также оптическое устройство ввода/вывода 6, фотоприемник 7 и электронный блок 8.

В качестве активной среды используется сам волоконный световод 5, а усиление происходит с помощью оптической накачки. Варианты накачки могут быть различные, но оптимальным представляется вариант с накачкой «в обе стороны» - энергия накачки распространяется по волокну 5 в виде катушки в обе стороны.

В качестве источника оптической накачки используется лазер 52, соединенный через оптический изолятор 53 с разветвителем 54, делящим накачку на два потока, и разветвитель-мультиплексор 55, с помощью которого накачка вводится в световод 5 «в обе стороны». Длина волны накачки должна быть ниже рабочей длины излучения задающего лазера на 10 ТГц.

Использование лазерного гироскопа с оптическим усилителем на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна позволит уменьшить уровень обратного отражения, что в конечном итоге - чувствительность.

Назначение других функциональных компонент устройства 50 и его работа идентична назначению аналогичных компонент и работе устройств 10 и 40.

Описанные выше варианты твердотельного лазерного гироскопа поясняют принцип работы данного изобретения, при этом конкретные числовые параметры (длина световода L, длительности τ=0,5 мкс и др.) приведены в качестве примера.

При использовании пары лазеров - задающего и ведомого и реализации повторяющихся многократных циркуляций встречных волн с поочередным пробегом через оптический усилитель циркулирующие волны заведомо когерентны, что необходимо для интерференции волн. Многократные циркуляции позволят накапливать саньяковский сигнал, а поочередный пробег через оптический усилитель в значительной мере снизит эффект «захвата» частот. Использование стабилизированного по частоте излучения задающего одночастотного лазера определит стабильность и низкую чувствительность масштабного коэффициента к внешним воздействиям.

Выбор конкретного усилителя будет определяться назначением и требуемой чувствительностью твердотельного лазерного гироскопа, трудоемкостью и ценой изготовления.

Литература

1. Б.В.Федоров, А.Г.Шереметьев и В.Н.Умников. Оптический квантовый гироскоп. М.: Машиностроение, 1972.

2. В.В.Азарова, Ю.Д.Голяев, В.Г.Дмитриев. "Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии". Квантовая электроника. Т.30, №2, 2000, стр.96.

3. S.Tamura, К.Inagaki, H.Noto and Т. Harayama. "Experimental investigation of Sagnac beat signals using semiconductor fiber-optic ring laser gyroscope based on semiconductor optical amplifier". Proc. SPIE, Vol.6770, 677014 (2007).

4. H.C.Lefevre, Ph.Martin, Т.Gaiffe at all. "Latest advances in fiber-optic gyroscope technology." Proc. SPIE. v.2292, p.156-165,1994.

5. R.J.Mears, L.Reekie, I.M.Juancey, D.N.Payne, "Low-noise Erbium-doped fiber amplifier operating at 1.54 µm". Electronics Letters, vol. 23, p. 1026-1028, 1987.

6. М.Islam and M.Nietubyc. "Raman amplification opens the S-band window". WDM Solutions, March 2001, p.53-65.

1. Твердотельный лазерный гироскоп, включающий кольцевой лазер, состоящий из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, фотоприемник и электронный блок, отличающийся тем, что дополнительно содержит задающий лазер и устройство ввода/вывода оптического излучения; при этом задающий и кольцевой лазеры образуют пару «задающий и ведомый лазеры», генерирующие с вводом излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизированной накачкой обоих лазеров, при этом устройство ввода/вывода выполнено таким образом, что обеспечивает деление излучения задающего лазера на две волны, ввод обеих в кольцевой лазер для многократной циркуляции в противоположных направлениях в резонаторе кольцевого лазера с поочередным пробегом через оптический усилитель и вывод из кольцевого лазера части оптической мощности каждой из двух циркулирующих волн, фазовую модуляцию и интерференцию выводимых волн.

2. Твердотельный лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что длина световода L и длительность τ импульсов излучения импульсного лазера связаны соотношением τ<Ln/2c, где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления.

3. Твердотельный лазерный гироскоп по п.2, отличающийся тем, что задающий лазер является одночастотным лазерным диодом, стабилизированным по частоте излучения.

4. Твердотельный лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется полупроводниковый оптический усилитель.

5. Твердотельный лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется волоконно-оптический усилитель.

6. Твердотельный лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется оптический усилитель на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к прецизионным волоконно-оптическим датчикам в системах ориентации подвижных объектов. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Изобретение относится к датчикам угловых скоростей, используемых в навигационных системах подвижных объектов. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин.

Изобретение относится к технике навигации и управления пространственной ориентацией движущихся объектов. .

Изобретение относится к приборам ориентации и навигации подвижных объектов. .

Изобретение относится к приборам ориентации и навигации подвижных объектов в виде летательных аппаратов, судов и т.д. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других волоконных датчиков физических величин на основе кольцевого оптоволоконного интерферометра.

Изобретение относится к области гироскопической контрольно-измерительной техники. .

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических гироскопах интерферометрического типа

Изобретение относится к области гироскопической техники и может быть использовано при разработке волоконно-оптических измерителей угловой скорости

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при разработке конструкции волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других интерферометрических датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других датчиков физических величин на основе одномодовых волоконных световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и других датчиков физических величин на основе одномодовых световодов

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании волоконно-оптических гироскопов и других интерферометрических датчиков физических величин с использованием одномодовых световодов. Устройство содержит источник, оптическое излучение с выхода которого разделяется на несколько каналов распространения разной длины. Выход источника соединен с первым входом первого делителя из ряда N делителей. Каждый первый выход предыдущего делителя ряда соединен с первым входом каждого последующего делителя. Второй вход каждого делителя соединен с помощью световода со своим вторым выходом. Длина каждого световода больше длины когерентности Lк излучения источника и больше или меньше длины световода каждого последующего делителя из этого ряда на длину когерентности Lк излучения источника. Длина световода, соединяющего вторые вход и выход первого делителя ряда из N делителей, больше NLк. Технический результат - снижение шумов интенсивности источника оптического излучения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх